Pour la première fois, les physiciens du plus grand broyeur d'atomes du monde ont observé des différences dans la désintégration des particules et des antiparticules contenant un élément de base de la matière, appelé le quark de charme.
La découverte pourrait aider à expliquer le mystère de la raison pour laquelle la matière existe.
"C'est une étape historique", a déclaré Sheldon Stone, professeur de physique à l'Université de Syracuse et l'un des collaborateurs de la nouvelle recherche.
Matière et antimatière
Chaque particule de matière a une antiparticule, qui est identique en masse mais avec une charge électrique opposée. Lorsque la matière et l'antimatière se rencontrent, elles s'anéantissent. C'est un problème. Le Big Bang aurait dû créer une quantité équivalente de matière et d'antimatière, et toutes ces particules devraient s'être détruites rapidement, ne laissant derrière elles que de l'énergie pure.
La notion de violation de CP est venue du physicien russe Andrei Sakharov, qui l'a proposée en 1967 pour expliquer pourquoi la matière a survécu au Big Bang.
"C'est l'un des critères nécessaires pour que nous existions", a déclaré Stone, "il est donc important de comprendre quelle est l'origine de la violation du CP."
Il existe six types différents de quarks, tous avec leurs propres propriétés: haut et bas, haut et bas et charme et étrange. En 1964, les physiciens ont observé pour la première fois la violation de CP dans la vie réelle dans d'étranges quarks. En 2001, ils l'ont vu se produire avec des particules contenant des quarks de fond. (Les deux découvertes ont conduit à des prix Nobel pour les chercheurs impliqués.) Les physiciens ont longtemps émis l'hypothèse que cela s'était produit avec des particules contenant des quarks de charme, mais personne ne l'avait jamais vu.
Charmé, je suis sûr
Stone est l'un des chercheurs de l'expérience de beauté du Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui utilise le Grand collisionneur de hadrons du CERN, l'anneau de 16,5 milles (27 kilomètres) à la frontière franco-suisse qui envoie des particules subatomiques se lissant les unes aux autres pour se créer les éclairs d'énergie époustouflants qui ont suivi le Big Bang. Lorsque les particules s'entrechoquent, elles se brisent en leurs parties constitutives, qui se désintègrent ensuite en quelques fractions de seconde pour devenir des particules plus stables.
Les dernières observations ont impliqué des combinaisons de quarks appelés mésons, plus précisément le méson D0 ("d-zéro") et le méson anti-D0. Le méson D0 est composé d'un quark de charme et d'un quark anti-up (l'antiparticule du quark up). Le méson anti-D0 est une combinaison d'un quark anti-charme et d'un quark up.
Ces deux mésons se désintègrent de plusieurs façons, mais un petit pourcentage d'entre eux finissent par devenir des mésons appelés kaons ou pions. Les chercheurs ont mesuré la différence de taux de désintégration entre les mésons D0 et anti-D0, un processus qui impliquait de prendre des mesures indirectes pour s'assurer qu'ils ne mesuraient pas seulement une différence dans la production initiale des deux mésons, ou des différences dans la qualité de leur l'équipement pourrait détecter diverses particules subatomiques.
En bout de ligne? Les ratios de décroissance différaient d'un dixième de pour cent.
"Cela signifie que le D0 et l'anti-D0 ne se désintègrent pas au même rythme, et c'est ce que nous appelons la violation du CP", a déclaré Stone.
Et cela rend les choses intéressantes. Les différences dans les désintégrations ne sont probablement pas assez importantes pour expliquer ce qui s'est passé après le Big Bang pour laisser autant de matière, a déclaré Stone, même si elles sont suffisamment importantes pour être surprenantes. Mais maintenant, dit-il, les théoriciens de la physique obtiennent leur tour avec les données.
Les physiciens s'appuient sur quelque chose appelé le modèle standard pour expliquer, eh bien, tout à l'échelle subatomique. La question maintenant, a déclaré Stone, est de savoir si les prédictions faites par le modèle standard peuvent expliquer la mesure du quark de charme que l'équipe vient de faire, ou si cela nécessitera une sorte de nouvelle physique - ce qui, selon Stone, serait le résultat le plus excitant.
"Si cela ne pouvait être expliqué que par une nouvelle physique, cette nouvelle physique pourrait contenir l'idée d'où vient cette violation de CP", a-t-il déclaré.
Les chercheurs ont annoncé la découverte dans une webémission du CERN et publié une préimpression d'un article détaillant les résultats en ligne.
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